Block MEMS/Engineering開(kāi)發(fā)基于傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀和量子級(jí)聯(lián)激光器(qcl)的中紅外光譜系統(tǒng)贷岸。這使得高速中紅外光譜的氣體和表面污染物的各種軍事和商業(yè)應(yīng)用晋修。Block Engineering自1956年以來(lái)一直在開(kāi)發(fā)中紅外光譜產(chǎn)品，實(shí)際上是快速掃描傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀的鼻祖凰盔。
被動(dòng)氣體檢測(cè)的FTIR系統(tǒng)
高靈敏度的氣體和表面污染物(液體和固體)的化學(xué)檢測(cè)很容易實(shí)現(xiàn)使用中紅外光譜。光譜的中紅外部分大致跨度為≈2.5 ~ 14mm倦春，并且中紅外光譜直接探測(cè)分子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)模式。吸收光譜豐富睁本，吸收譜線強(qiáng)尿庐，具有高特異性和高靈敏度，
圖1繪制了化學(xué)試劑VX和HD(硫芥)以及炸藥TNT(三硝基甲苯)的中紅外光譜呢堰。這表明抄瑟，化學(xué)物質(zhì)的中紅外光譜具有豐富的吸收譜線，可以進(jìn)行高度特異性的化學(xué)鑒定枉疼。還要注意皮假，吸收線可能非常強(qiáng)鞋拟。例如，VX和TNT都有吸收線惹资，其吸收深度(強(qiáng)度以1/e的倍數(shù)下降)只有~3um贺纲。強(qiáng)吸收線使檢測(cè)靈敏度高。
圖1
中紅外的兩個(gè)主要大氣傳輸窗口稱(chēng)為中波紅外(MWIR)和長(zhǎng)波紅外(LWIR)猴誊。這些如圖2a所示，大致分別在≈3 – 5um和≈8 – 14um之間擴(kuò)展侮措。在MWIR中有一個(gè)較強(qiáng)的CO2吸收帶懈叹，波長(zhǎng)為4.3um。以波長(zhǎng)為6.3um為中心的較寬的H2O吸收帶將MWIR與LWIR分開(kāi)分扎。圖2a繪制了使用L atm=-R/ ln(Tatm)的有效大氣吸收長(zhǎng)度澄成，其中Tatm 是在海平面R = 10米的水平路徑上，H2O分壓為7.75×10-3 atm時(shí)笆包，使用HITRAN計(jì)算的大氣透射率环揽。嚴(yán)格地說(shuō)，由于吸收的指數(shù)性質(zhì)庵佣，用這種方法計(jì)算的有效吸收長(zhǎng)度取決于R的選擇。然而巴粪，發(fā)現(xiàn)R的變化對(duì)計(jì)算的吸收長(zhǎng)度只有很小的影響通今。淺灰色曲線是高分辨率的計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色曲線是首先用5 cm-1帶寬的頂帽剖面平滑透射率得到的肛根”杷可以看出，LWIR波段非常透明派哲，吸收長(zhǎng)度可達(dá)~10 km臼氨。在以 = 6.3um為中心的H2O吸收帶內(nèi)，平滑吸收長(zhǎng)度僅為10米左右芭届。由于H2O吸收譜線可能非常強(qiáng)储矩，因此必須小心避免它們褂乍，或者在足夠?qū)挼膸捝线M(jìn)行光譜平均持隧。
圖2
在大部分中紅外波段，被動(dòng)熱背景大于太陽(yáng)輻照度逃片。圖2b比較了太陽(yáng)的光譜輻照度與黑體在300k時(shí)的熱輻射屡拨。對(duì)于波長(zhǎng)大于約5um的黑體，其輻射超過(guò)太陽(yáng)輻照度。作為參考呀狼，計(jì)算出在LWIR大氣窗口( 波長(zhǎng)= 8 - 14mm)上的綜合黑體發(fā)射為17.2 mW/cm2裂允。
圖3
FTIR光譜是一種常用的檢測(cè)氣體云的方法。有許多系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這種檢測(cè)赠潦，它們可以根據(jù)是否使用單元件探測(cè)器或焦平面陣列(FPA)進(jìn)行成像進(jìn)行分類(lèi)。在任何一種情況下她奥，當(dāng)要探測(cè)的云和背景之間存在溫差時(shí)瓮增，就會(huì)觀察到化學(xué)特征。溫差越大哩俭，使用無(wú)源FTIR光譜儀觀察到的云的光譜特征越大绷跑。在這種情況下，晴朗的天空通常提供優(yōu)xiu的光譜特征凡资，而地面背景將提供較弱的特征砸捏。
Block為被動(dòng)氣體檢測(cè)構(gòu)建緊湊堅(jiān)固的FTIR系統(tǒng)。一種名為M90的系統(tǒng)多年來(lái)一直用于保護(hù)五角大樓隙赁。另一個(gè)系統(tǒng)稱(chēng)為PORTHOSTM(便攜式危害觀察系統(tǒng))如圖3所示垦藏。PORTHOS是一種電池供電的便攜式FTIR伞访，重約17磅掂骏。它包括一個(gè)用于觀看現(xiàn)場(chǎng)的弱光相機(jī)。FTIR光譜儀可以配置為具有0.5或1.5度的視場(chǎng)(FOV)厚掷，并且光譜結(jié)果相對(duì)于內(nèi)置的化學(xué)庫(kù)進(jìn)行分析弟灼。電池壽命約為4小時(shí)。該系統(tǒng)非常適合由第1響應(yīng)者進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)視冒黑，并且安裝在三腳架上的單元可用于持續(xù)檢測(cè)田绑。圖3顯示了一個(gè)示例場(chǎng)景，其中化工廠發(fā)生了一次意外泄漏抡爹。第1響應(yīng)者在z遠(yuǎn)5公里的距離上觀察云層掩驱，以確定其化學(xué)成分。
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